(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、
電解質層の一方の面に配置される空気極層と、
電解質層の他方に配置される燃料極層を含み、
前記燃料極層は、支持燃料極部と、当該支持燃料極部より空孔率の小さい活性燃料極部とを有し、
前記支持燃料極部は、凸部を有し、
前記活性燃料極部は複数のパターンによって構成されており、
隣接する前記複数のパターンの間には、前記凸部が挟まれており、
前記電解質層は、前記複数の活性燃料極部パターンと前記凸部の両方に接触していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項２】
前記支持燃料極部の空孔率は、１０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項３】
前記活性燃料極部の空孔率は、５〜３０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項４】
前記支持燃料極部および前記活性燃料極部はＮｉを含み、
前記活性燃料極部のＮｉ含有率は、前記支持燃料極部より高いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項５】
前記活性燃料極部の厚さは１〜５０μｍであり、前記支持燃料極部の厚さは０．２〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項６】
前記パターンは島状パターンによって構成されており、
前記島状パターンの大きさは１〜２０ｍｍであり、隣接する前記島状パターンの距離は５〜５００μｍであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セルを用いる固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の発電セルおよび固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池に用いられる平板状の発電セルとしては、緻密な電解質層に、多孔質な燃料極を接合したものが提案されている。また、電解質の抵抗を低減するために電解質層を薄くした状態においても、発電セルの強度が確保されるように、燃料極の強度を高めた発電セルが提案されている（特許文献１等参照）。
【０００３】
しかし、従来技術に係る発電セルでは、熱膨張率の違いや酸化還元反応等の影響により、燃料極と電解質の界面において剥離が発生するという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−９６９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、好適な発電性能と耐久性を有する固体酸化物形燃料電池用発電セルおよび当該固体酸化物形燃料電池用発電セルを用いた固体酸化物形燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、
電解質層と、
電解質層の一方の面に配置される空気極層と、
電解質層の他方に配置される燃料極層を含み、
前記燃料極層は、支持燃料極部と、当該支持燃料極部より空孔率の小さい活性燃料極部とを有し、
前記支持燃料極部は、凸部を有し、
前記活性燃料極部は複数のパターンによって構成されており、
隣接する前記複数のパターンの間には、前記凸部が挟まれており、
前記電解質層は、前記複数の活性燃料極部パターンと前記凸部の両方に接触していることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、燃料極層が空孔率の小さい活性燃料極部を含むため、燃料極層と電解質層の界面における触媒活性点（三相界面）が多く、発電性能が高い。また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、空孔率が大きい支持燃料極部によって発電セルの強度が確保されるため、電解質層を薄くして発電性能を高めることができる。さらに、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、電解質層が支持燃料極部と活性燃料極部の両方に接触しているため、燃料極層と電解質層の間の剥離が抑制され、耐久性に優れている。
【０００８】
また、例えば、前記支持燃料極部の空孔率は、１０〜７０％であってもよく、前記活性燃料極部の空孔率は、５〜３０％であってもよい。
【０００９】
支持燃料極部の空孔率を適切な範囲とすることによって、固体酸化物形燃料電池用発電セルは、電解質層と燃料極層との界面まで、燃料ガスを好適に拡散させるとともに、燃料極層と電解質層の間の剥離をより効果的に抑制できる。また、活性燃料極部の空孔率を適切な範囲とすることによって、固体酸化物形燃料電池用発電セルは、電解質層の界面における三相界面を増やすことができる。
【００１０】
また、例えば、前記支持燃料極部および前記活性燃料極部はＮｉを含み、前記活性燃料極部のＮｉ含有率は、前記支持燃料極部より高くてもよい。
【００１１】
活性燃料極部のＮｉ含有率を、支持燃料極部より高くすることによって、活性層部と電解質層の界面における三相界面を増やすことができる。また、電解質層が支持燃料極部と活性燃料極部の両方に接触しており、かつ、支持燃料極部のＮｉ含有率が活性燃料極部より低い固体酸化物形燃料電池用発電セルは、燃料極層と電解質層の間の剥離を効果的に抑制することができる。
【００１２】
また、例えば、前記活性燃料極部の厚さは１〜５０μｍであってもよく、前記支持燃料極部の厚さは０．２〜１０ｍｍであってもよい。
【００１３】
活性燃料極部および支持燃料極部の厚さを適切な範囲とすることによって、燃料極層におけるガスの拡散性を確保しつつ、燃料極層に発電セル全体を支持するために適切な強度を持たせることができる。
【００１４】
前記パターンは島状パターンによって構成されており、前記島状パターンの大きさは１〜２０ｍｍであり、隣接する前記島状パターンの距離は５〜５００μｍであってもよい。
【００１５】
活性燃料極部を複数の島状パターンによって構成される形状としたり、隣接する島状パターンの間の距離および島状パターンの大きさを適切な値とすることによって、このような固体酸化物形燃料電池用発電セルは、燃料極層と電解質層の間の剥離を効果的に抑制することができる。
【００１６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上述した固体酸化物形燃料電池用発電セルを用いる。これにより、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、好適な発電特性を有するとともに、耐久性にも優れている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の概念図である。
【図２】図２は、図１に示す固体酸化物形燃料電池に含まれる発電セルの断面図である。
【図３】図３は、図２における断面線III-IIIに沿う断面図である。
【図４】図４は、発電セルの活性燃料極部における島状パターンの形状を表す断面図である。
【図５】図５（Ａ）〜図５（Ｅ）は、発電セルの製造方法の一例を表す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に係る発電セルの断面図である。
【図７】図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、試料２および試料３に係る島状パターンの形状を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１０の概念図である。固体酸化物形燃料電池１０は、改質器１２、燃料マニホールド１４、空気マニホールド１６、バーナー１８および燃料電池本体部２４等を有する。
【００１９】
改質器１２は、導入口１２ａから供給される燃料を改質し、燃料ガス（水素等）を生成する。改質器１２に供給される燃料としては、特に限定されないが、例えば天然ガス、メタノール、石油等が用いられる。改質器１２で生成された燃料ガスは、燃料マニホールド１４を介して燃料電池本体部２４に送られる。
【００２０】
燃料マニホールド１４は、燃料電池本体部２４に含まれる各発電セル２８に、改質器１２から送られてきた燃料ガスを供給するための分岐管である。発電セル２８で使用される燃料ガスは、セパレータ２６と発電セル２８との間に形成されている流路を通って、発電セル２８の燃料極層３４（図２参照）に供給される。
【００２１】
空気マニホールド１６は、燃料電池本体部２４に含まれる各発電セル２８に、酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給するための分岐管である。空気マニホールド１６の導入口１６ａから供給される酸化剤ガスは、セパレータ２６と発電セル２８との間に形成されている流路を通って、発電セル２８の空気極層３０（図２参照）に供給される。
【００２２】
バーナー１８は、燃料電池本体部２４を加熱する。バーナー１８は、バーナー１８の導入口１８ａから供給される燃料を使用して、燃料電池本体部２４の内部において好適に反応が行われる温度まで、燃料電池本体部２４を加熱する。バーナー１８による加熱温度は、燃料電池本体部２４に含まれる発電セル２８の構成や、発電セル２８内部において必要とされる反応速度に応じて適切に設定される。バーナー１８は、固体酸化物形燃料電池１０によって発電を行う場合、例えば発電セル２８が６００〜７００℃となるように、燃料電池本体部２４を加熱する。
【００２３】
燃料電池本体部２４は、セパレータ２６と発電セル２８とを含む。燃料電池本体部２４は、セパレータ２６と発電セル２８とを交互に積層した積層構造を有している。図２に示すように、発電セル２８は、空気極層３０側の表面２８ａと、燃料極層３４側の表面２８ｂとを有している。図１に示す燃料電池本体部２４に含まれる各発電セル２８は、各発電セル２８の空気極層３０側の表面２８ａおよび燃料極層３４側の表面２８ｂが同一の向きになるように、積層されている。
【００２４】
セパレータ２６の一方の面は、発電セル２８における燃料極層３４側の表面２８ｂ（図２）に対向しており、セパレータ２６の他方の面は、発電セル２８における空気極層３０側の表面２８ａ（図３）に対向している。セパレータ２６の一方の面と、発電セル２８における燃料極層３４側の表面２８ｂとの間には、燃料マニホールド１４から送られてくる燃料ガスの流路が形成される。また、セパレータの他方の面と、発電セル２８における空気極層３０側の表面２８ａとの間には、空気マニホールド１６から送られてくる酸化剤ガスの流路が形成される。
【００２５】
図２は、固体酸化物形燃料電池１０に含まれる発電セル２８の一つを、積層方向に沿う断面によって観察した断面図である。発電セル２８は、電解質層３２と、電解質層３２の一方の面３２ａに配置される空気極層３０と、電解質層３２の他方の面３２ｂに配置される燃料極層３４とを含む。
【００２６】
電解質層３２は、酸化物イオンの選択透過性を有する固体電解質によって構成される。電解質層３２は、例えばＬａＧａ系等のペロブスカイト構造を有するセラミック材料によって構成されるが、特に限定されない。電解質層３２の厚さは、特に限定されないが、電解質層３２の電気抵抗を低減して発電性能を向上させるために、１〜５０μｍとすることが好ましい。
【００２７】
空気極層３０は、例えばＬａＦｅ系等のペロブスカイト構造を有するセラミック材料によって構成されるが、特に限定されない。空気極層の厚さは、特に限定されないが、例えば、１〜５０μｍ程度とすることができる。また、空気極層３０は、発電セル２８における空気極層３０側の表面２８ａから供給される酸化剤ガスが、空気極層３０の内部を良好に拡散できるように、多孔質構造を有することが好ましい。
【００２８】
燃料極層３４は、支持燃料極部３８と、活性燃料極部３６とによって構成される。活性燃料極部３６は、支持燃料極部３８より電解質層３２側に配置されており、電解質層３２と支持燃料極部３８によって挟まれている。したがって、本実施形態に係る電解質層３２における燃料極層３４側の面３２ｂの大部分は、活性燃料極部３６と接触している。しかしながら、図２に示すように、電解質層３２における燃料極層３４側の面３２ｂは、活性燃料極部３６だけでなく、支持燃料極部３８とも接触している。電解質層３２における燃料極層３４側の面３２ｂのうち、活性燃料極部３６と接触している部分の割合は、特に限定されないが、面３２ｂ全体の９５％〜９９％とすることが、三相界面を確保し、かつ剥離を抑制する観点から好ましい。
【００２９】
支持燃料極部３８は、ＣｅＳｍＯ２等のセラミック材料とＮｉとのコンポジット材料によって構成されるが、特に限定されない。また、支持燃料極部３８は、電解質層３２に用いたセラミック材料（ＬａＧａ系等）と同じセラミック材料とＮｉとのコンポジット材料によって構成されてもよい。本実施形態に係る発電セル２８において、燃料極層３４における支持燃料極部３８は、発電セル２８の支持体としての役割を有している。したがって、支持燃料極部３８は、発電セル２８の強度を確保するために、電解質層３２等より厚く形成される。支持燃料極部３８がＮｉとセラミックのコンポジット材料で構成される場合、支持燃料極部３８におけるＮｉとセラミックの比率は、体積比でＮｉ／セラミックが０．７〜２．５となるようにすることが好ましい。支持燃料極部３８におけるＮｉとセラミックの比率を適切な範囲とすることによって、支持燃料極部３８の内部で好適な電流パスが形成される。
【００３０】
支持燃料極部３８の厚さは、特に限定されないが、０．２〜１０ｍｍとすることが好ましく、１〜５ｍｍとすることが更に好ましい。支持燃料極部３８を適切な厚さとすることによって、発電セル２８に適切な強度を持たせ、発電セル２８が壊れ易くなることを防止する。また、支持燃料極部３８を適切な厚さとすることによって、燃料極層３４内部において燃料ガスの拡散性が悪化することを防止し、また、発電セル２８全体を小型化することができる。
【００３１】
支持燃料極部３８は、発電セル２８における燃料極層３４側の表面２８ｂから供給される燃料ガスが支持燃料極部３８の内部を良好に拡散できるように、多孔質構造を有することが好ましい。支持燃料極部３８の空孔率は、１０％〜７０％とすることが好ましい。支持燃料極部３８の空孔率を適切な範囲とすることによって、燃料極層３４の電気抵抗を適切な値とし、燃料極層３４中における燃料ガスの良好な拡散を確保することができる。また、支持燃料極部３８の空孔率を適切な範囲とすることによって、電解質層３２と燃料極層３４との界面付近に存在する支持燃料極部３８が、燃料極層３４と電解質層３２の剥離を好適に防止することができる。
【００３２】
活性燃料極部３６は、支持燃料極部３８と同様に、ＣｅＳｍＯ２等のセラミック材料とＮｉとのコンポジット材料によって構成されるが、特に限定されない。また、活性燃料極部３６に含まれるセラミック材料は、電解質層３２との相性を考慮して選択されることが好ましく、電解質層３２に用いたセラミック材料（ＬａＧａ系等）と同じセラミック材料を用いても良い。活性燃料極部３６は、支持燃料極部３８と同様の組成であってもよいが、Ｎｉの含有量やセラミック材料の成分が、支持燃料極部３８と異なっていても良い。活性燃料極部３６は、電解質層３２と燃料極層３４との接触面積を拡大させ、電解質層／燃料極層／ガスの三相界面で起こる電気化学反応を促進させる役割を有する。
【００３３】
活性燃料極部３６がＮｉとセラミック材料とのコンポジット材料で構成される場合、活性燃料極部３６におけるＮｉとセラミック材料の比率は、体積比でＮｉ／セラミックが１〜４となるようにすることが好ましい。また、活性燃料極部３６および支持燃料極部３８がＮｉとセラミック材料のコンポジット材料で構成される場合、活性燃料極部３６のＮｉ含有率は、支持燃料極部３８よりも高いことが好ましい。燃料極層３４におけるＮｉは、電解質層／燃料極層／ガスの三相界面を形成するために重要な役割を有する物質であるため、活性燃料極部３６のＮｉ含有率をより高くすることによって、燃料極層３４と電解質層３２の界面で起こる電気化学反応を促進させることができる。
【００３４】
活性燃料極部３６は、支持燃料極部３８より空孔率が小さく、活性燃料極部３６の空孔率は、好ましくは５〜３０％である。活性燃料極部３６の空孔率を適切な範囲とすることによって、本実施形態に係る発電セル２８は、電解質層３２と燃料極層３４の界面における三相界面を確保することができる。活性燃料極部３６の空孔率は、単位体積当たりの空孔の数を、活性燃料極部３６より減少させることによって小さくしてもよく、また、空孔の大きさを、活性燃料極部３６より小さくすることによって小さくしてもよい。
【００３５】
活性燃料極部３６の厚さは、特に限定されないが、燃料極層３４中における燃料ガスの良好な拡散を確保するために、支持燃料極部３８の厚さより十分に薄くすることが好ましい。活性燃料極部３６の厚さは、１〜５０μｍとすることが好ましく、５〜２０μｍとすることがさらに好ましい。
【００３６】
図２および図３に示すように、本実施形態に係る発電セル２８に含まれる活性燃料極部３６は、複数の島状パターン４０によって構成されている。図３は、図２における断面線III-IIIに沿う断面図である。島状パターン４０は、各層の積層方向に垂直な断面でみて、六角形の断面形状を有しており、活性燃料極部３６は、島状パターン４０が充填されたハニカム形状を有している。また、隣接する島状パターン４０の間には、支持燃料極部３８の凸部３８ａが挟まれている。
【００３７】
図３の部分拡大図である図４に示すように、島状パターン４０の大きさＤ（内接円の直径に等しい）は、１〜２０ｍｍとすることが好ましく、隣接する島状パターン４０の間の距離ｄは、５〜５００μｍとすることが好ましい。島状パターン４０の大きさＤおよび隣接する島状パターン４０の間の距離ｄを適切な範囲とすることによって、電解質層３２と燃料極層３４の界面における三相界面を確保して発電性能を向上させつつ、燃料極層３４と電解質層３２の間の剥離を効果的に抑制することができる。
【００３８】
図２に示す発電セル２８の製造方法は、特に限定されないが、発電セル２８は、例えば以下のような方法によって製造することができる。
【００３９】
発電セル２８を製造する場合、まず、焼成後において燃料極層３４および電解質層３２となる積層体を形成する。製造方法の第１の段階では、焼成後に支持燃料極部３８となるグリーンシートを形成する。第１の段階では、図５（Ａ）に示すように、ドクターブレード法等によって、ＰＥＴフィルム１２８等の上に支持燃料極部用ペースト１３８を塗布し、グリーンシートを形成する。
【００４０】
支持燃料極部用ペースト１３８は、焼成後において支持燃料極部３８を構成するＮｉとセラミック材料からなるコンポジット材料に、樹脂および溶剤を混練して作成される。支持燃料極部用ペースト１３８に用いられる樹脂および溶剤は、特に限定されないが、例えば樹脂としては、エチルセルロース、アクリル等を用いることができ、溶剤としては、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン等を用いることができる。なお、支持燃料極部３８の空孔率は、支持燃料極部用ペースト１３８におけるコンポジット材料の含有率や、支持燃料極部ペースト１３８に含有させるカーボン等の造孔剤の含有率によって調整することができる。
【００４１】
製造方法の第２の段階では、図５（Ｂ）に示すように、第１の段階で作成されたグリーンシートの表面に、焼成後に活性燃料極部３６となる活性燃料極部パターン１３６を、スクリーン印刷等によって形成する。活性燃料極部パターン１３６は、焼成後において活性燃料極部３６を構成するＮｉおよびセラミック材料に、樹脂及び溶剤を混練して作成する。
【００４２】
活性燃料極部パターン１３６に用いられる樹脂および溶剤は、特に限定されないが、例えば樹脂としては、ブチラール、エチルセルロース等を用いることができ、溶剤としては、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン等を用いることができる。活性燃料極部３６の空孔率は、活性燃料極部パターン１３６におけるコンポジット材料の含有率や、活性燃料極部パターン１３６に含有させるカーボン等の造孔剤の含有率によって調整することができる。活性燃料極部パターン１３６におけるコンポジット材料の含有率等を調整することによって、焼成後において活性燃料極部パターン１３６の空孔率が、支持燃料極部３８より小さくなるように調整される。なお、活性燃料極部パターン１３６の形状は、焼成後において活性燃料極部３６の形状が図３に示すような形状を有するように、ハニカム様の形状とする。
【００４３】
製造方法の第３の段階では、図５（Ｃ）に示すように、グリーンシートの中に、活性燃料極部パターンを埋め込む。活性燃料極部パターン１３６を埋め込む方法としては、特に限定されないが、溶剤を用いて活性燃料極部パターン１３６と接触しているグリーンシートの一部を溶かす方法や、活性燃料極部パターン１３６をグリーンシートに向かって押しつける方法が挙げられる。なお、製造方法の第２の段階と第３の段階とは、同時に行われてもよい。例えば、活性燃料極部パターン１３６にグリーンシートを溶解させる成分を含有させることにより、活性燃料極部パターン１３６をグリーンシートに印刷すると同時に、活性燃料極部パターン１３６をグリーンシートに埋め込ませても良い。
【００４４】
製造方法の第４の段階では、活性燃料極部パターン１３６が印刷されたグリーンシートの表面に、焼成後に電解質層３２となる電解質層パターン１３２を、スクリーン印刷等によって形成する。電解質層パターン１３２は、焼成後において電解質層３２を構成するセラミック材料に、樹脂及び溶剤を混練して作成する。電解質層パターン１３２に用いられる樹脂および溶剤は、特に限定されないが、例えば樹脂としては、ブチラール、エチルセルロース等を用いることができ、溶剤としては、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン等を用いることができる。以上の第１〜第４の段階によって、焼成後に燃料極層３４および電解質層３２となる積層体が形成される。
【００４５】
製造方法の第５の段階では、第１〜第４の段階で形成された積層体を焼成する。さらに、製造方法の第６の段階では、図５（Ｅ）に示すように、第５の段階で形成された焼成体における電解質層３２側の表面に、焼成後に空気極層３０となる空気極層パターン１３０をスクリーン印刷等によって形成する。空気極層パターン１３０は、焼成後によって空気極層３０となるセラミック材料に、樹脂及び溶剤を混練して作成する。空気極層パターン１３０に用いられる樹脂および溶剤は、特に限定されないが、例えば樹脂としては、ブチラール、エチルセルロース等を用いることができ、溶剤としては、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン等を用いることができる。
【００４６】
製造方法の第７の段階では、焼成体の表面に形成した空気極層パターン１３０を焼き付け、図２に示すような燃料極層３４、電解質層３２および空気極層３０を含む発電セル２８を得る。なお、上述した製造方法は、発電セル２８の製造方法の一例であり、発電セル２８は、例えば電解質層３２の上に、活性燃料極部３６および支持燃料極部３８を積層するなど、他の製造方法によって製造することもできる。
【００４７】
図１に示す固体酸化物形燃料電池１０において発電が行われる際、図２に示す発電セル２８における空気極層３０側の表面２８ａには酸化剤ガス（空気、酸素等）が供給され、発電セル２８における燃料極層３４側の表面２８ｂには燃料ガス（水素等）が供給される。図２に示す発電セル２８に供給された酸化剤ガスは、空気極層３０を通って、電解質層３２と空気極層３０との界面に到達し、空気極層３０から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ−２）にイオン化される。また、酸化物イオンは、燃料極層３４に向かって、電解質層３２の内部を移動する。
【００４８】
電解質層３２と燃料極層３４との界面に到達した酸化物イオンは、燃料極層３４の内部を拡散してきた燃料ガスと反応し、反応生成物（水等）を生成し、燃料極層３４に電子を放出する。空気極層３０と電解質層３２との界面、燃料極層３４と電解質層３２との界面における電極反応で生じる起電力は、空気極層３０および電解質層３２に電気的に接続される外部負荷によって取り出される。なお、図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１０において発電が行われる際、発電セル２８は、適切な温度になるようにバーナー１８によって加熱される。
【００４９】
本実施形態に係る発電セル２８は、空孔率の小さい活性燃料極部３６と空孔率の大きい支持燃料極部３８とを含む燃料極層３４を有する。活性燃料極部３６は、支持燃料極部３８より電解質層３２側に配置されており、電解質層３２における燃料極層３４側の面３２ｂの多くの部分は、活性燃料極部３６に接触している。活性燃料極部３６は、空孔率が小さいため、発電セル２８における電解質層３２と燃料極層３４の接触面積が広くなり、燃料極層３４と電解質層３２との界面における電極反応を促進することができる。また、支持燃料極部３８は、空孔率が大きいため、発電セル２８の支持体としての役割を果たせる程度の厚さを有する場合でも、燃料ガスを反応界面まで好適に拡散させることができる。また、本実施形態に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８が発電セル２８の支持体としての役割を果たすことによって、電解質層３２を薄くして発電セル２８の抵抗を減少させ、発電性能を向上させることができる。
【００５０】
しかし、発電セル２８において、活性燃料極部３６の空孔率を小さくすると、熱膨張や電極反応に伴う変形量の差が、電解質層３２と活性燃料極部３６の間で大きくなるため、燃料極層３４と電解質層３２との界面付近において剥離が発生する危険性が高くなる。しかし、本実施形態に係る発電セル２８では、電解質層３２が、活性燃料極部３６だけでなく、支持燃料極部３８とも接触しているため、燃料極層３４と電解質層３２の間の剥離が抑制される。
【００５１】
すなわち、図２に示すように、支持燃料極部３８は、活性燃料極部３６を構成する島状パターン４０の間を通って電解質層３２と接触する凸部３８ａを有している。凸部３８ａは支持燃料極部３８の一部であるため、凸部３８ａの電解質層３２に対する変形量の差は、活性燃料極部３６の電解質層３２に対する変形量の差よりも小さい。そうすると、燃料極層３４と電解質層３２の変形量差に伴う応力が、島状パターン４０の間に配置されている凸部３８ａによって緩和される。そのため、本実施形態に係る発電セル２８は、燃料極層３４と電解質層３２の間の剥離を抑制することが可能であり、耐久性に優れている。
【００５２】
また、本実施形態に係る発電セル２８において、活性燃料極部３６のＮｉ含有率は、支持燃料極部３８より高くてもよい。発電セル２８において、活性燃料極部３６のＮｉ含有率を高くすると、界面での電極反応が促進される一方で、熱膨張や電極反応に伴う変形量の差が、電解質層３２と活性燃料極部３６の間で大きくなる傾向がある。しかし、本実施形態に係る発電セル２８では、燃料極層３４と電解質層３２の変形量差に伴う応力が、凸部３８ａによって緩和されるため、界面での電極反応を高めつつ、燃料極層３４と電解質層３２の間の剥離を抑制できる。
【００５３】
また、図３に示すように、活性燃料極部３６は、複数の島状パターン４０を含むハニカム様構造を有している。島状パターン４０の間に、支持燃料極部３８の凸部３８ａが分散して配置されているため、活性燃料極部３６の変形に伴う応力を効率的に緩和できる。本実施形態において、島状パターン４０の形状は六角形であるが、円形や他の多角形であってもよい。ただし、島状パターン４０の形状を、円形もしくは角の角度が９０°以上の多角形とすることによって、島状パターン４０の角の近傍に応力が集中することを抑制できる。また、島状パターン４０は、図３に示すように、それぞれが独立していてもよいが、島状パターン４０は、隣接する他の島状パターン４０と、一部が繋がっていても良い。そのような形状であっても、島状パターン４０が形成された活性燃料極部３６は、活性燃料極部３６の変形に伴う応力を緩和する効果を奏する。
【００５４】
第２実施形態
図６は、第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池に含まれる発電セル４８の一つを、積層方向に沿う断面によって観察した断面図である。第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、発電セル４８における燃料極層５４と電解質層５２との境界部分の形状が異なるほかは、第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１０と同様である。
【００５５】
第２実施形態に係る発電セル４８は、第１実施形態に係る発電セル２８と同様に、電解質層５２と、空気極層３０と、燃料極層５４とを含む。また、燃料極層５４は、支持燃料極部５８と活性燃料極部５６とを含む。なお、電解質層５２、空気極層３０、支持燃料極部５８および活性燃料極部５６の組成については、第１実施形態と同様である。また、支持燃料極部５８および活性燃料極部５６の空孔率についても、第１実施形態と同様であり、活性燃料極部５６の空孔率は、支持燃料極部５８より小さい。
【００５６】
第２実施形態に係る活性燃料極部５６も、第１実施形態に係る活性燃料極部３６と同様に、複数の島状パターン６０によって構成されている。しかし、活性燃料極部５６は、第１実施形態とは異なり、支持燃料極部５８側ではなく、電解質層５２側に埋め込まれている。すなわち、電解質層５２は、活性燃料極部５６を構成する島状パターン６０の間を通って支持燃料極部５８と接触する凸部５２ａを有している。これにより、本実施形態に係る電解質層５２も、第１実施形態に係る電解質層３２と同様に、活性燃料極部５６と支持燃料極部５８の両方に接触している。
【００５７】
発電セル４８は、製造方法の第３段階で活性燃料極部５６を支持燃料極部５８に埋め込まず、製造方法の第４段階で電解質層５２によって支持燃料極部５８を覆う以外は、上述した第１実施形態に係る発電セル２８の製造方法と同様の製造方法によって製造することができる。
【００５８】
図６に示す発電セル４８において、電解質層５２は、活性燃料極部５６と支持燃料極部５８の両方に接触しており、燃料極層５４と電解質層５２の変形量差に伴う応力が、電解質層５２の凸部５２ａによって緩和される。そのため、本実施形態に係る発電セル４８は、第１実施形態に係る発電セル２８と同様に、燃料極層５４と電解質層５２の間の剥離を抑制することが可能であり、耐久性に優れている。また、第２実施形態に係る発電セル４８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池は、第１実施形態に係る発電セル２８および固体酸化物形燃料電池１０と同様の効果を奏する。
【００５９】
実施例
以下にさらに詳細な実施例に基づき説明を行うが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【００６０】
試料１〜試料６
試料１
試料１として、図１〜図４に示すような発電セル２８を含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料１に係る発電セル２８の電解質層３２の材料には、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3-δを用い、空気極層３０の材料には、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｆｅ0.8Ｃｏ0.2Ｏ3-αを用いた。また、燃料極層３４の活性燃料極部３６および支持燃料極部３８の材料には、ＮｉとＣｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2-βのコンポジット材料を用いた。
【００６１】
試料１に係る発電セル２８の製造における第１段階では、支持燃料極部３８の材料であるＮｉ−Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2-βに樹脂および溶剤等を加えた支持燃料極部用ペースト１３８を、ドクターブレード法によってＰＥＴフィルム１２８の上に塗布してグリーンシートを作成した（図５（Ａ））。なお、支持燃料極部３８におけるＮｉとセラミック材料の比率は、体積比でＮｉ／セラミック材料が１．５となるようにした。また、支持燃料極部用ペースト１３８中におけるＮｉ−Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2-βの含有割合は、４０％とした。
【００６２】
発電セル２８の製造における第２の段階では、第１の段階で作成されたグリーンシートの表面に、活性燃料極部３６の材料であるＮｉ−Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2-βに樹脂および溶剤等を加えた活性燃料極部パターン１３６を、スクリーン印刷によって形成した。活性燃料極部パターン１３６の形状は、図３に示すようなハニカム様の形状とした。なお、活性燃料極部３６におけるＮｉとセラミック材料の比率は、体積比でＮｉ／セラミック材料が２になるようにした。また、活性燃料極部用パターン１３６中におけるＮｉ−Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2-βの含有割合は、５０％とした。
【００６３】
発電セル２８の製造における第３段階では、活性燃料極部パターン１３６をグリーンシートに向かって押しつけることによって、活性燃料極部パターン１３６をグリーンシートに埋め込んだ（図５（Ｃ））。第４の段階では、活性燃料極部パターン１３６が印刷されたグリーンシートの表面に、電解質層３２の材料であるＬａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3-δに樹脂および溶剤等を加えた電解質層パターン１３２を、スクリーン印刷等によって形成した（図５（Ｄ））。電解質層パターン１３２は、ベタパターンとした。
【００６４】
発電セル２８の製造における第５段階では、第１〜第４の段階で形成された積層体を、１４００℃で大気焼成した。第６の段階では、第５の段階で形成された焼成体における電解質層３２側の表面に、空気極層３０の材料であるＬａ0.6Ｓｒ0.4Ｆｅ0.8Ｃｏ0.2Ｏ3-αに樹脂および溶剤等を加えた空気極層パターン１３０を、スクリーン印刷等によって形成した（図５（Ｅ））。さらに、第７の段階では、焼成体の表面に形成した空気極層パターン１３０を焼き付け（１１００℃）、試料１に係る発電セル２８を得た。
【００６５】
試料１に係る発電セル２８の大きさはφ２０ｍｍであった。図２に示す各層の厚さに関しては、電解質層３２の厚みＡが１０μｍ、活性燃料極部３６の厚みＢが５μｍ、支持燃料極部３８の厚みＣが２０００μｍであった。また、活性燃料極部３６の空孔率は２５％であり、支持燃料極部３８の空孔率は６０％であった。また、活性燃料極部３６を構成する島状パターン４０の大きさＤは５０００μｍであり、隣接する島状パターン４０の間の距離ｄは５μｍであった（図４参照）。なお、活性燃料極部３６および支持燃料極部３８の空孔率は、水銀圧入法を用いた水銀圧入式細孔分布測定装置（Thermo Quest  社製  型番：PASCAL140/440）によって測定した。
【００６６】
さらに、試料１に係る発電セル２８を用いて固体酸化物形燃料電池１０を作製し、５００℃および６００℃において発電試験を行い、出力密度と耐久性を評価した。発電実験では、発電セル２８における空気極側の表面に、空気を２００ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給し、発電セル２８における燃料極側の表面に、水素を２００ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給した。耐久性は、固体酸化物形燃料電池１０の電圧が、発電試験を開始してから０．５Ｖ以上の発電を継続した時間によって評価した。試料１に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
0005499675.tif 000002
【００６８】
試料２
試料２として、活性層の島状パターン７０が、図７（Ａ）に示すような円形状である発電セルを含む固体酸化物形燃料電池を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料２に係る発電セルは、活性層の島状パターン７０の形状が異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。試料２に係る発電セルは、焼成後に活性燃料極部となる活性燃料極部パターンの形状を変更した他は、試料１に係る発電セルと同様の製造方法によって作製した。
【００６９】
さらに、試料２に係る発電セルを用いて固体酸化物形燃料電池を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料２に係る発電セルにおける各層の形状等および発電セルの評価結果を表１に示す。
【００７０】
試料３
試料３として、活性層の島状パターン８０が、図７（Ｂ）に示すような四角形状である発電セルを含む固体酸化物形燃料電池を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料３に係る発電セルは、活性層の島状パターン８０の形状が異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。試料３に係る発電セルは、焼成後に活性燃料極部となる活性燃料極部パターンの形状を変更した他は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって作製した。
【００７１】
さらに、試料３に係る発電セルを用いて固体酸化物形燃料電池を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料３に係る発電セルにおける各層の形状等および発電セルの評価結果を表１に示す。
【００７２】
試料４
試料４として、電解質層が発電セル全体を支持する自立膜式セル構造を有する発電セルおよびこれを含む固体酸化物形燃料電池を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料４に係る発電セルは、試料１に係る発電セル２８に対して、電解質層厚みＡが厚く、燃料極層が活性燃料極部のみの１層構造である点で異なるが、各層を構成する材料等については、試料１と同様である。
【００７３】
試料４に係る発電セルの製造においては、まず、電解質層の材料であるＬａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3-δに樹脂および溶剤等を加え、これを用いて、ドクターブレード法によって所定の厚みの膜を形成する。その後、膜を温度１４５０℃で大気焼成し、電解質層を得た。次に、得られた電解質層の一方の面に、空気極層の材料であるＬａ0.6Ｓｒ0.4Ｆｅ0.8Ｃｏ0.2Ｏ3-αに樹脂および溶剤等を加えた空気極層パターンを、スクリーン印刷等によって形成した。また、電解質層の他方の面に、活性燃料極部の材料であるＮｉ−Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2-βに樹脂および溶剤等を加えた活性燃料極部パターンを、スクリーン印刷によって形成した。活性燃料極部パターンはベタパターンとした。最後に、電解質層の両面に形成した空気極層パターンおよび活性燃料極部パターンを焼き付けて、試料４に係る発電セルを得た。
【００７４】
試料４に係る発電セルの大きさは試料１と同様であり、φ２０ｍｍであった。試料４における発電セルにおいては、電解質層の厚みＡが１５０μｍ、活性燃料極部３６の厚みＢが２０μｍであった。燃料極層は一層構造であり、支持燃料極部は存在しない。また、活性燃料極部３６の空孔率は、試料１と同様であり、２５％であった。また、活性燃料極部３６はベタパターンであった。
【００７５】
さらに、試料４に係る発電セルを用いて固体酸化物形燃料電池を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料４に係る発電セルにおける各層の形状等および発電セルの評価結果を表１に示す。
【００７６】
試料５
試料５として、活性燃料極部をベタパターンとした発電セルを含む固体酸化物形燃料電池を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料５に係る発電セルは、活性燃料極部が島状パターンではなく、ベタパターンである点で試料１と異なるが、その他の点については、試料１に係る発電セルと同様である。試料５に係る発電セルは、焼成後に活性燃料極部となる活性燃料極部パターンの形状をベタパターンとした他は、試料１に係る発電セルと同様の製造方法によって作製した。
【００７７】
さらに、試料５に係る発電セルを用いて固体酸化物形燃料電池を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料５に係る発電セルにおける各層の形状等および発電セルの評価結果を表１に示す。
【００７８】
試料６
試料６として、燃料極層が活性燃料極部を含まず、支持燃料極部のみによって構成される発電セルと、これを含む固体酸化物形燃料電池を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料６に係る発電セルは、燃料極層が支持燃料極部のみによって構成される点で試料１と異なるが、その他の点については、試料１に係る発電セル２８と同様である。試料６に係る発電セルは、活性燃料極部を形成する製造段階である第２段階および第３段階を行わず、支持燃料極部用ペーストによるグリーンシートの上に直接電解質層パターンを形成した他は、試料１に係る発電セルと同様の製造方法によって作製した。
【００７９】
さらに、試料６に係る発電セルを用いて固体酸化物形燃料電池を作製し、出力密度と耐久性を評価した。評価条件は、試料１と同様である。試料６に係る発電セルにおける各層の形状等および発電セルの評価結果を表１に示す。
【００８０】
試料１〜試料６の評価結果
表１に示すように、試料１〜試料３および試料５は、自立膜式セルである試料４や、活性層の無い試料６に比べて、いずれも出力密度が向上した。このように、発電セルにおける電解質層３２の厚みを薄くして、発電セルを燃料極層によって支持させる構造とした上で、燃料極層を活性燃料極部と支持燃料極部の２層構造とすることにより、固体酸化物形燃料電池の発電性能を向上させることができた。
【００８１】
試料１〜試料３は、試料４〜試料６に比べて、耐久性が大幅に向上した。このように、発電セルの活性燃料極部を島状パターンによって構成し、電解質層３２が活性燃料極部と支持燃料極部の両方と接触する構造とすることによって、発電セルおよびこれを含む固体酸化物形電池の耐久性を大幅に向上させることができた。したがって、試料１〜試料３は、高発電性能と、高耐久性とを両立することができた。また、活性燃料極部における島状パターンの形は、ハニカム（六角形）、円、四角のいずれの場合であっても、これらの発電セルを含む固体酸化物形燃料電池は、良好な発電性能および耐久性を実現できた。
【００８２】
なお、試料１〜試料３同士を比較すると、耐久性の観点では試料２が有利であり、出力密度の観点では試料１および試料３が有利であった。試料２は、島状パターン７０の形状が円形状（図７（Ａ））であるため、島状パターンの角の部分に応力が集中する現象を効果的に防止し、耐久性を向上させることができたものと考えられる。また、試料１および試料３は、試料２に比べて、活性燃料極部３６と電解質層３２の接触面積が広いため、発電性能の点で試料２より有利であったと考えられる。
【００８３】
試料７〜試料１１
試料７〜試料１１として、活性燃料極部３６の厚みＢ（図２参照）を変更した発電セル２８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料７〜試料１１に係る発電セル２８は、燃料極層３４における活性燃料極部３６の厚さが試料１と異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。
【００８４】
試料７〜試料１１に係る発電セル２８は、焼成後に活性燃料極部３６となる活性燃料極部パターン１３６の厚さを変更した以外は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって製造した。さらに、試料７〜試料１１に係る発電セル２８を用いて、固体酸化物形燃料電池１０を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池１０の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料７〜試料１１に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表２に示す。
【００８５】
【表２】
0005499675.tif 000003
【００８６】
表２に示すように、試料８〜試料１０に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の厚みＢが、それぞれ５０μｍ、２０μｍ、１μｍであった。試料７および試料１１に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の厚みＢが、それぞれ６０μｍ、０．５μｍであった。
【００８７】
試料８〜試料１０に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２以上、３５０ｍＷ／ｃｍ２以上であり、良好な発電能力を有していた。また、試料８〜試料１０に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ以上、３５００ｈ以上であり、良好な耐久性を有していた。また、試料１および試料８〜試料１０に係る発電セル２８の評価結果から、活性燃料極部３６の厚みは、１〜５０μｍとすることが好ましく、５〜２０μｍとすることがさらに好ましいと考えられる。
【００８８】
試料７に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料８〜試料１０に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料７に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の厚さが厚すぎるため、試料８〜試料１０に比べて燃料極層３４内で水素を拡散させる能力が不足していると考えられる。また、試料７に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ未満、３５００ｈ未満であり、試料８〜試料１０に係る発電セル２８より耐久性が劣っていた。試料７に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の厚さが厚すぎるため、試料８〜試料１０に比べて、電解質層３２と燃料極層３４との界面において剥離が発生しやすい状態となっていると考えられる。
【００８９】
試料１１に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料８〜試料１０に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料１１に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の厚さが薄すぎるため、電解質層／燃料極層／ガスの三相界面の形成が、試料８〜試料１０に係る発電セル２８より劣っていると考えられる。
【００９０】
試料１２〜試料１６
試料１２〜試料１６として、活性燃料極部３６における島状パターン４０の大きさＤ（図４参照）を変更した発電セル２８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料１２〜試料１６に係る発電セル２８は、島状パターン４０の大きさが試料１と異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。
【００９１】
試料１２〜試料１６に係る発電セル２８は、焼成後に活性燃料極部３６となる活性燃料極部パターン１３６の形状を変更した以外は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって製造した。さらに、試料１２〜試料１６に係る発電セル２８を用いて、固体酸化物形燃料電池１０を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池１０の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料１２〜試料１６に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表３に示す。
【００９２】
【表３】
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【００９３】
表３に示すように、試料１３〜試料１５に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６における島状パターン４０の大きさＤが、それぞれ１０００μｍ、１００００μｍ、２００００μｍであった。試料１２および試料１６に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６における島状パターン４０の大きさＤが、それぞれ５００μｍ、２５０００μｍであった。
【００９４】
試料１３〜試料１５に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２以上、３５０ｍＷ／ｃｍ２以上であり、良好な発電能力を有していた。また、試料１３〜試料１５に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ以上、３５００ｈ以上であり、良好な耐久性を有していた。また、試料１および試料１３〜試料１５に係る発電セル２８の評価結果から、活性燃料極部３６における島状パターン４０の大きさＤは、１０００〜２００００μｍとすることが好ましいと考えられる。
【００９５】
試料１２に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料１３〜試料１５に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料１２に係る発電セル２８は、島状パターン４０が小さすぎるため、試料１３〜試料１５に比べて活性燃料極部３６と電解質層３２の接触面積が不十分であったものと考えられる。
【００９６】
試料１６に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久時間が、それぞれ４５００ｈ未満、３５００ｈ未満であり、試料１３〜試料１５に係る発電セル２８より耐久性が劣っていた。試料１６に係る発電セル２８は、島状パターン４０が大きすぎるため、試料１３〜試料１５に比べて活性燃料極部３６の応力を十分に緩和することができなかったものと考えられる。
【００９７】
試料１７〜試料２１
試料１７〜試料２１として、隣接する島状パターン４０の間の距離ｄ（図４参照）を変更した発電セル２８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料１７〜試料２１に係る発電セル２８は、隣接する島状パターン４０の間の距離ｄが試料１と異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。
【００９８】
試料１７〜試料２１に係る発電セル２８は、焼成後に活性燃料極部３６となる活性燃料極部パターン１３６の形状を変更した以外は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって製造した。しかし、表４に示すように、試料１７に係る発電セル２８は、印刷後に島状パターン４０同士が結合し、グリーンシートの中に活性燃料極部パターン１３６を埋め込む工程を実施できず、作製することができなかった。そこで、試料１８〜試料２１に係る発電セル２８を用いて、固体酸化物形燃料電池１０を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池１０の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料１７〜試料２１に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表４に示す。
【００９９】
【表４】
0005499675.tif 000005
【０１００】
表４に示すように、試料１８〜試料２０に係る発電セル２８は、隣接する島状パターン４０の間の距離ｄが、それぞれ５μｍ、２００μｍ、５００μｍであった。試料２１に係る発電セル２８は、隣接する島状パターン４０の間の距離ｄが、６００μｍであった。
【０１０１】
試料１８〜試料２０に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２以上、３５０ｍＷ／ｃｍ２以上であり、良好な発電能力を有していた。また、試料１８〜試料２０に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ以上、３５００ｈ以上であり、良好な耐久性を有していた。また、試料１および試料１８〜試料２０に係る発電セル２８の評価結果から、隣接する島状パターン４０間の距離ｄは、５〜５００μｍとすることが好ましいと考えられる。
【０１０２】
試料２１に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料１８〜試料２０に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料２１に係る発電セル２８は、隣接する島状部４０の間の距離が大きすぎるため、電解質層３２と活性燃料極部３６の接触面積が、試料１８〜試料２０に係る発電セル２８に比べて不十分であったと考えられる。
【０１０３】
試料２２〜試料２６
試料２２〜試料２６として、活性燃料極部３６の空孔率を変更した発電セル２８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料２２〜試料２６に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の空孔率が試料１と異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。
【０１０４】
試料２２〜試料２６に係る発電セル２８は、焼成後に活性燃料極部３６となる活性燃料極部パターン１３６におけるＮｉ−セラミックコンポジット材料の含有率を変更した以外は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって作製した。さらに、試料２２〜試料２６に係る発電セル２８を用いて、固体酸化物形燃料電池１０を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池１０の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料２２〜試料２６に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表５に示す。
【０１０５】
【表５】
0005499675.tif 000006
【０１０６】
表５に示すように、試料２３〜試料２５に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の空孔率が、それぞれ５％、２０％、３０％であった。試料２２および試料２６に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の空孔率が、それぞれ４％、３５％であった。
【０１０７】
試料２３〜試料２５に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２以上、３５０ｍＷ／ｃｍ２以上であり、良好な発電能力を有していた。また、試料２３〜試料２５に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ以上、３５００ｈ以上であり、良好な耐久性を有していた。また、試料１および試料２３〜試料２５に係る発電セル２８の評価結果から、活性燃料極部３６の空孔率は、５〜３０％とすることが好ましく、２５％〜３０％とすることが更に好ましいと考えられる。
【０１０８】
試料２２に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料２３〜試料２５に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料２２に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の空孔率が小さすぎるため、試料２３〜試料２５に比べて活性燃料極部３６内で水素を拡散させる能力が不足していると考えられる。
【０１０９】
試料２６に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料２３〜試料２５に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料２６に係る発電セル２８は、活性燃料極部３６の空孔率が大きすぎるため、活性燃料極部３６と電解質層３２との接触面積が試料２３〜試料２５に比べて劣っていたものと考えられる。
【０１１０】
試料２７〜試料３１
試料２７〜試料３１として、支持燃料極部３８の厚みＣ（図２参照）を変更した発電セル２８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料２７〜試料３１に係る発電セル２８は、燃料極層３４における支持燃料極部３８の厚さが試料１と異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。
【０１１１】
試料２７〜試料３１に係る発電セル２８は、焼成後に支持燃料極部３８となるグリーンシートの厚さを変更した以外は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって製造した。しかし、試料３１では、積層体を焼成した後に割れが発生し、発電セル２８を製造することができなかった。そこで、試料２７〜試料３０に係る発電セル２８を用いて、固体酸化物形燃料電池１０を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池１０の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料２７〜試料３１に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表６に示す。
【０１１２】
【表６】
0005499675.tif 000007
【０１１３】
表２に示すように、試料２８〜試料３０に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８の厚みＣが、それぞれ１００００μｍ、５０００μｍ、２００μｍであった。試料２７に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８の厚みＣが、１５０００μｍであった。
【０１１４】
試料２８〜試料３０に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２以上、３５０ｍＷ／ｃｍ２以上であり、良好な発電能力を有していた。また、試料２８〜試料３０に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ以上、３５００ｈ以上であり、良好な耐久性を有していた。また、試料１および試料２８〜試料３０に係る発電セル２８の評価結果から、支持燃料極部３８の厚みは、２００〜１００００μｍとすることが好ましいと考えられる。
【０１１５】
試料２７に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料２８〜試料３０に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料２７に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８の厚さが厚すぎるため、試料２８〜試料３０に比べて燃料極層３４で水素を拡散させる能力が不足していると考えられる。試料３１は、支持燃料極部３８が薄すぎるため、焼成後に割れやすくなっているものと考えられる。
【０１１６】
試料３２〜試料３６
試料３２〜試料３６として、支持燃料極部３８の空孔率を変更した発電セル２８およびこれを含む固体酸化物形燃料電池１０を作製し、発電性能と耐久性を評価した。試料３２〜試料３６に係る発電セル２８は、燃料極層３４における支持燃料極部３８の空孔率が試料１と異なる他は、試料１に係る発電セル２８と同様である。
【０１１７】
試料３２〜試料３６に係る発電セル２８は、焼成後に支持燃料極部３８となる支持燃料極部用ペースト１３８におけるＮｉ−セラミックコンポジット材料の含有率を変更した以外は、試料１に係る発電セル２８と同様の製造方法によって作製した。しかし、試料３６では、積層体を焼成した後に割れが発生し、発電セル２８を製造することができなかった。そこで、試料３２〜試料３５に係る発電セル２８を用いて、固体酸化物形燃料電池１０を作製し、出力密度と耐久性を評価した。固体酸化物形燃料電池１０の発電に関する条件は、試料１と同様である。試料３２〜試料３６に係る発電セル２８における各層の形状等および発電セル２８の評価結果を表７に示す。
【０１１８】
【表７】
0005499675.tif 000008
【０１１９】
表７に示すように、試料３３〜試料３５に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８の空孔率が、それぞれ１０％、４０％、７０％であった。試料３２に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８の空孔率が５％であった。
【０１２０】
試料３３〜試料３５に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２以上、３５０ｍＷ／ｃｍ２以上であり、良好な発電能力を有していた。また、試料３３〜試料３５に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における耐久性が、それぞれ４５００ｈ以上、３５００ｈ以上であり、良好な耐久性を有していた。また、試料１および試料３３〜試料３５に係る発電セル２８の評価結果から、支持燃料極部３８の空孔率は、１０〜７０％とすることが好ましいと考えられる。
【０１２１】
試料３２に係る発電セル２８は、５００℃および６００℃における出力密度が、それぞれ３００ｍＷ／ｃｍ２未満、３５０ｍＷ／ｃｍ２未満であり、試料３３〜試料３５に係る発電セル２８より発電能力が劣っていた。試料３２に係る発電セル２８は、支持燃料極部３８の空孔率が小さすぎるため、試料３３〜試料３５に比べて燃料極層３４内で水素を拡散させる能力が不足していると考えられる。試料３６は、支持燃料極部の空孔率が高すぎるため、焼成後に割れやすくなったものと考えられる。
【符号の説明】
【０１２２】
１０…  固体酸化物形燃料電池
２４…  燃料電池本体部
２６…  セパレータ
２８，４８…  発電セル
３０…  空気極層
３２，５２…  電解質層
３４，５４…  燃料極層
３６，５６…  活性燃料極部
３８，５８…  支持燃料極部
３８ａ…  凸部
４０，６０，７０，８０…  島状パターン
【図１】
0005499675.tif 000009
【図２】
0005499675.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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